基于松耦合变压器补偿技术的电动汽车充电技术系统建模与仿真

吴金华

摘 要：本文立足于无线充电技术，深入剖析松耦合变压系统，针对其目前无线充电系统存在的不足之处与优化，改善充电系统传输效率，推动无线充电方式发展。

关键词：耦合变压器 电动汽车 充电技术

Modeling and Simulation of Electric Vehicle Charging Technology System Based on Loosely Coupled Transformer Compensation Technology

Wu Jinhua

Abstract：Based on the wireless charging technology， this article deeply analyzes the loosely coupled transformer system， aims at the shortcomings and optimizations of the current wireless charging system， improves the transmission efficiency of the charging system， and promotes the development of wireless charging methods.

Key words：coupling transformer， electric vehicle， charging technology

1 引言

相比传统充电技术，无线充电技术的起步时间较晚，且整体的安全性以及便捷性更为优秀。因此，在未来市场中具有巨大的发展潜力。本文立足于松耦合变压器，深入研究偏移位置以及器气隙间距，剖析二者对变压器传输效率的具体影响情况，通过运用科学的绕制手段，使得变压器的传输效率得到进一步改善。以此为前提下，建立等效电路模型，并在其中加入补偿技术，完成仿真模型的构建环节，针对仿真模型完成实验验证，保障最终研究结果的真实性和可靠性，推动我国电动汽车研究理论的发展。

2 松耦合变压器磁建模分析与优化

2.1 松耦合变压器概述

在无线输电过程中，松耦合变压器起到重要作用，其在工作过程中，与其它类型变压器并无本质不同。然而，该变压器的磁路距离较长，因此可以完成非接触充电过程。由于保持与设备的非接触充电，因此不会对设备造成磨损，这也是其显著优点之一。

2.2 松耦合变压器磁芯等效模型

在完成研究工作之前，首先需要建立对應模型，本文等效电路模型如图1内容。在研究过程中，通过电压源完成供电工作，当电压源与回路产生接触后，实现初级电流，并将电流传输至变压器中，经过变压器的处理后，产生次级电流。其具体的计算方式如式2.1：

由公式2.2，可以得出初级电流以及次级电流的计算方式，其具体内容如下所示：

其各公式对应具体初级以及次级电电流回路，而通过上文计算内容，可以得到对应的反馈电阻。

因此，对电阻进行计算。立足于前文的计算方式，本次的初级电阻以及次级电阻分别为：

通过上述内容，不难得知，对于变压器的传输效率而言，即受到多个因素的共同影响，各因素之间互相联系，并最终影响能量的传输效率。

3 电动汽车无线充电的直流变压器补偿分析

因传统闭环控制方案在传输过程中反馈信号会出现缺失，并最终影响反馈结果。因此，本文针对中级控制模块，将其设定为隔离式开环。

3.1 补偿方法

为保障各模块的效率得到深入优化，此次研究过程中针对松耦合变压器，将其中添加高耐压值电容，促使变压器的无功功率和视在功率减少，使得变压器整体的传输能力得到改善，完成对变压器的优化工作。

为确保完成上述内容，运用串串补偿方式，加强对变压器的补偿，促使变压器的传输效率得到保障，帮助优化耦合型变压器，推动我国电动汽车产业的发展。其具体电路结构如图3所示。

为深入了解模块自身的输出特性，构建对应等效电路模型。为简化研究工作，此次的匝比设定为等比且n=1，具体内容如下所示。

在功率以及耦合系数之间存在联系性。通过构建对应的模型，完成对二者关系的分析工作，不难得知二者之间存在反向关系。输出功率设定为一定数值后，二者之间的数值将会互相影响。

3.2 直流变压器补偿的定量分析

为简化本次定量分析难度，作者在分析过程中，并未针对初级以及次级损耗进行分析，得出的初级有偿电容为：

对以上两式求解及与的关系可得：

根据上文中的视在功率计算方法，结合输出有功功率的相关参数，其具体比值情况如下：

本中结合Matlab完成此次建模工作，并与上述内容构建对应模型得出二者之间的具体比例，除此之外，得出对应的负载电阻以及角频率，具体内容如图6所示。

从图6可知：针对原边加入补偿电容，能够有效改善模块的功率因素。因此可以通过此方法改善变压器的传输效率。

4 DCT 模块仿真模型及仿真结果分析

4.1 仿真模型

此次模型构建运用 Simulink 工具，本次的具体模型如图7，当完成建模工作后，针对个仿真参数进行设计，并最终根据模型完成分析环节。

由于实验需求，本次将磁芯制定为十厘米，完成计算过程并得出耦合系数，最终得出结果为0.223。通过与相关数值进行对比，得知此次设计符合实际充电距离需求。

4.2 仿真结果及其分析

第一，制定未加补偿参数，通过建模分析后得出对应波形，而该过程的具体参数内容如表1所示。

结合上图继续完成建模工作，并得到对应的模块仿真图。通过对下图进行分析，不能得知当个模块不添加补偿时，变压器的开关侧会出现电压峰值问题，使得器件在充电过程中引发应力，而将其推导至现实生活中，这一情况会导致充电过程中产生噪音问题，影响人员的充电体验。

第二，在建模过程中加入补偿参数，并完成建模工作，得到对应的仿真波形。经过上述步骤得出的具体参数情况如表2所示。

通过原副边加补偿图进行分析可知，当在模块中添加串联补偿，可以有效减少模块的电流尖峰，并最终致使电压浪涌问题发生概率减少。这也证实添加串联补偿能够有效缓解器件的开关损耗，保护变压器的同时改善充电体验。

根据此次实验结果，在现实生活中选择合适的空气间隙，能够使变压器的传输效率得到改善。

5 总结

本文针对电动汽车松耦合变压器存在的原副边耦合系数低的问题，建立变压器磁路模型，通过补偿方案提高变压器传输效率。通过仿真与实验结果表明：所设计的串串补偿的松耦合 LLC-DCT 和全桥 DCT 相比，可以提高能量传输效率，优化后输出效率体提高了1.86%。

参考文献：

[1]翟鹏伟. 电动汽车无线充电系统设计[D]. 北京， 北方工业大学， 2015.

[2]李松林. 基于电磁感应耦合的无线电能传输研究[D]  成都 电子科技大学， 2012.

[3]陈珂睿，  王泽忠， 刘胜南. 非接触式电能传输系统功率及效率影响因素[J].  电网技术， 2014， 38（3）：807-811.

[4]杨民生 王耀南 新型无接触感应耦合电能传输技术研究综述。湖南文理学院学报.

[5]Buja G，BertoluzzoM，Dashora HK.Lumped track layout design for dynamic  wireless charging of electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2016，  63（10）： 6631-6640.

[6]朱华 松耦合无线能量传输系统相关技术研究[D]  南京 南京邮电大学， 2013.